תוכן העניינים[להתחבא][הופעה]
מחשוב קוונטי הוא טכנולוגיה חדשנית המשתמשת בפיזיקה קוונטית כדי לטפל בבעיות שהן מעבר ליכולות של מחשבים מסורתיים.
חברות רבות מנסות כעת להפוך חומרה קוונטית לזמינה לעשרות אלפי מפתחים, כלי שמדענים חלמו רק לפני כשלושה עשורים.
כתוצאה מכך, המהנדסים שלנו פורסים לעתים קרובות מחשבי-על מוליכים קוונטיים חזקים יותר ויותר, ומקרבים אותנו למהירות המחשוב הקוונטי ולקיבולת הדרושים כדי לשנות את העולם.
בפוסט זה, נסתכל מקרוב על מחשוב קוונטי והכלים והמסגרות שמתלווים לזה, כמו גם היכן הם יהיו ב-2022.
מהו מחשוב קוונטי?
מחשבי העל הללו בנויים על עקרונות הסופרפוזיציה וההסתבכות, שהם שני היבטים של פיזיקת הקוונטים. מחשבים קוונטיים יכולים כעת לבצע משימות בקצבים מהירים בסדרי גודל ממחשבים מסורתיים תוך שימוש בהרבה פחות אנרגיה.
בשנות ה-1980 צמח תחום המחשוב הקוונטי. ואז התגלה שאלגוריתמים קוונטיים היו יעילים יותר מהמקבילים המקובלים שלהם בפתרון משימות מחשב מסוימות.
מחשוב קוונטי הוא דיסציפלינה של מדעי המחשב המתמקדת בקידום טכנולוגיית המחשב המבוססת על מושגי תורת הקוונטים. הוא עושה שימוש ביכולת יוצאת הדופן של חלקיקים תת-אטומיים להתקיים בכמה מצבים בו-זמנית, כמו 0 ו-1. הם מסוגלים לעבד הרבה יותר נתונים ממחשבים רגילים.
המצב הקוונטי של פריט משמש ליצירת קיוביט בפעולות מחשוב קוונטי. קוויביטים הם יחידות הנתונים הבסיסיות של מחשוב קוונטי. במחשוב קוונטי, הם משרתים את אותה עבודה שעושים ביטים במחשוב רגיל, אבל הם מתנהגים אחרת לגמרי.
סיביות מסורתיות הן בינאריות ויכולות לשמור רק על מיקום של 0 או 1, ואילו קיוביטים יכולים לכלול סופרפוזיציה של כל המצבים האפשריים.
המסגרות הטובות ביותר עבור מחשוב קוונטי
1. סירק
Cirq נבנה על ידי צוות Quantum AI של גוגל. הוא משמש לתכנון ושיפור מעגלים קוונטיים שנבדקים לאחר מכן במחשבים וסימולטורים קוונטיים. Cirq הוא פנטסטי מכיוון שהוא מציע סימולטורים לפיתוח שדומים למדי לאלו שנראים בחיים האמיתיים.
זה מרמז שהספרייה עושה את דרכה דרך פרטי החומרה המקיפים את NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) כך שנוכל להיות בטוחים שניתן להפעיל את האלגוריתם או המעגל על מחשב קוונטי אמיתי לאחר סיומו.
כתוצאה מכך, יש לו את הפוטנציאל לניצול ליצירת מעגלים קוונטיים מותאמים וניתנים לפריסה. יש לו גם תכונות של יכולת פעולה הדדית. תוכנה שמייבאת ומייצאת מעגלים וסימולציות קוונטיות, למשל.
מסגרת לתכנות מחשבים קוונטיים שהם קוד פתוח. Cirq הוא א פיתון חבילת תוכנה המאפשרת לך ליצור, לתפעל ולבצע אופטימיזציה של מעגלים קוונטיים לפני ביצועם במחשבי קוונטים וסימולטורים.
Cirq הוא הפשטה יעילה להתמודדות עם מחשבים קוונטיים בקנה מידה בינוני רועש של ימינו, שבהם דרישות החומרה הן קריטיות להשגת תוצאות חדישות.
תכונות
- משערים הפועלים על קיוביטים, תוכלו ללמוד כיצד לתכנן מעגלים קוונטיים. למד מהו רגע וכיצד טקטיקות הכנסה שונות עשויות לסייע לך בבניית המעגל האידיאלי שלך. למד כיצד לחתוך ולחתוך מעגלים על מנת ליצור מעגלים חדשים ומשופרים.
- להגבלות טכנולוגיות יש השפעה משמעותית על האם ניתן ליישם מעגל בחומרה עכשווית או לא. למד כיצד לתכנת את שירות המחשוב הקוונטי של גוגל וכיצד ליצור מכשירים כדי לטפל במגבלות אלו.
- גם לפונקציות הגל וגם למטריצות הצפיפות יש סימולטורים מובנים ב-Cirq. ניתן להשתמש בהדמיות מטריצה של מונטה קרלו או בצפיפות מלאה כדי להתמודד עם ערוצים קוונטיים רועשים.
- כדי לבצע בדיקות על המעבדים הקוונטיים של גוגל, Cirq משתפת פעולה עם Quantum Computing Service.
2. ProjectQ
ETH Zurich יצרה את ProjectQ, ארכיטקטורת תוכנת מחשוב קוונטי בקוד פתוח. זה מספק חזק וישיר תחביר למשתמשים ליצור אפליקציות קוונטיות ב-Python. לאחר מכן, ProjectQ יכול להמיר סקריפטים אלה לכל צורה של אחורי, בין אם זה סימולטור מחשב קלאסי או מעבד קוונטי.
ProjectQ יכול להמיר את היישומים הללו לכל סוג של קצה אחורי, כגון סימולטור מחשב קלאסי או מעבד קוונטי, כגון פלטפורמת IBM Quantum Experience.
תכונות
- IT היא רמה גבוהה שפת תכנות עבור תוכניות קוונטיות.
- יש לו מהדר מודולרי וניתן להתאמה.
- הוא מציע גם מספר רכיבי קצה של חומרה ותוכנה.
- ספריית מחשבים קוונטיים (FermiLib) לפתרון בעיות פרמיוניות
- ניתן להשתמש בשבב IBM Quantum Experience, התקני AQT, AWS Braket ו-IonQ הניתנים בשירות להפעלת אלגוריתמים קוונטיים.
- ברמת הפשטה גבוהה יותר, ניתן לחקות תוכניות קוונטיות (למשל, חיקוי הפעולה של אורקלים גדולים במקום להדר אותם לשערים ברמה נמוכה)
- במחשבים קלאסיים ניתן לדמות תוכניות קוונטיות.
3. Tensoflow Quantum
מסגרת Python TensorFlow Quantum (TFQ) מיועדת לקוונטים למידת מכונה. TFQ היא מסגרת אפליקציה של TensorFlow המאפשרת לחוקרי אלגוריתם קוונטי ולמידת מכונה להשתמש במסגרות המחשוב הקוונטי של גוגל ישירות מ-TensorFlow.
TensorFlow Quantum היא תוכנית המתמקדת בנתונים קוונטיים וביצירת מודלים היברידיים קוונטיים-קלאסיים. הוא משלב טכניקות מחשוב קוונטי ולוגיקה שתוכננה על ידי Cirq עם ממשקי API של TensorFlow, כמו גם סימולטורים של מעגלים קוונטיים בעלי ביצועים גבוהים.
ניתן להשתמש במסגרת TFQ להפעלת מודלים מסורתיים והיברידיים כאחד, כגון Quantum CNN (QCNN). כתוצאה מכך, ניתן להשתמש ב-TFQ עבור כל בעיה שבעבר לא ניתן היה לענות עליה באמצעות גישות מסורתיות. כדי לענות על בעיות מסוימות בעולם האמיתי, התחל עם TFQ כדי ליצור מודלים היברידיים קוונטיים או קוונטיים-קלאסיים.
תכונות
- חוקרים יכולים להשתמש ב-TFQ כדי ליצור טנזורים באמצעות מערכי נתונים קוונטיים, מודלים קוונטיים ופרמטרי בקרה קונבנציונליים ברשת חישובית אחת.
- טנזורים משמשים לאחסון נתונים קוונטיים (מערך רב מימדי של מספרים). כל טנזור של נתונים קוונטיים מתואר כמעגל קוונטי Cirq שיוצר נתונים קוונטיים תוך כדי תנועה.
- החוקר יכול להשתמש ב-Cirq כדי ליצור אב טיפוס של קוונטי רשת עצבית שייכלל בגרף מחשוב של TensorFlow מאוחר יותר.
- היכולת לאמן ולבצע בו-זמנית מעגלים קוונטיים רבים היא תכונה מרכזית של TensorFlow Quantum.
4. פרסבל
Perceval היא מסגרת קוד פתוח לתכנות מחשבים קוונטיים פוטוניים שפותחה על ידי Perceval, עסק צרפתי המתמקד בבניית דור חדש של מחשבים קוונטיים המבוססים על מניפולציה של אור.
Perceval מציעה כלים להרכבת מעגלים ממרכיבים אופטיים ליניאריים, הגדרת מקורות פוטון בודדים, מניפולציה של מצבי Fock, הפעלת הדמיות קוונטיות, שחזור מאמרים ניסיוניים שפורסמו והתנסות בדור חדש של אלגוריתמים קוונטיים באמצעות API פשוט מונחה עצמים של Python.
המטרה שלו היא להיות כלי נלווה לבניית מעגלים פוטוניים קוונטיים - להדמיית וזיקוק העיצוב שלהם, מודלים של התנהגות אידיאלית וממשית כאחד, ולהציע ממשק סטנדרטי לשלוט בהם באמצעות הרעיון של backends.
הוא מותאם לפעולה על שולחן עבודה מקומי, עם שיפורים רבים עבור אשכולות HPC, ומספק גישה ל-backends מתוחכמים להדמיה מספרית וסמלית של אלגוריתמים קוונטיים במעגלים פוטוניים.
אתה יכול גם להשתמש במספר רב של רכיבים מוכנים ליצירת אלגוריתמים ומעגלים אופטיים ליניאריים מסובכים. ספרייה של אלגוריתמים ידועים נגישה, כמו גם שיעורים כיצד להשתמש בהם.
אתה יכול גם להשתמש בכמה שורות קוד כדי לבצע ניסויים כדי לכוונן אלגוריתמים, להשוות עם נתונים ניסיוניים וליצור מחדש פרסומים שפורסמו.
תכונות
- ארכיטקטורה מיוחדת במינה המוקדשת כולה לאופטיקה ליניארית ומחשוב קוונטי פוטוני
- הפרויקט הוא פרויקט בקוד פתוח עם ארכיטקטורה מודולרית שמקבלת בברכה תרומות מהקהילה.
- באמצעות ספרייה ענקית של רכיבים מוכנים, צור אלגוריתמים ומעגלים אופטיים ליניאריים מסובכים. ספרייה של אלגוריתמים ידועים נגישה, כמו גם שיעורים כיצד להשתמש בהם.
- ניסוי עם אלגוריתמים כדי לכוונן אותם, השוו אותם לנתונים ניסיוניים והעתיקו פרסומים קיימים בכמה שורות קוד.
- כדי לחקות אלגוריתמים קוונטיים במעגלים פוטוניים, השתמש בקצה אחורי מתוחכם. Perceval נועד לרוץ על שולחן עבודה מקומי במונחים של ביצועים מספריים וסמליים כאחד, עם שיפורים רבים עבור אשכולות HPC.
5. קיסקיט
אנחנו יודעים שאם אנחנו מדברים על טכנולוגיה של הדור הבא, ל-IBM יהיה מה להציע. זה בהחלט כן. QisKit היא פלטפורמת קוד פתוח לפיתוח תוכנה קוונטית.
Qiskit היא מסגרת תוכנה במימון IBM שמקלה על המשתמשים ללמוד עליה מחשוב קוונטי. מכיוון שקשה להשיג מחשבים קוונטיים, אתה יכול להשתמש בספק ענן כמו ערכת הכלים Qiskit של יבמ כדי להשיג גישה לאחד.
זה לגמרי בחינם לשימוש, וכל הקוד כן קוד פתוח. יש ספר לימוד מקוון שמלמד אותך את כל היסודות של פיזיקת הקוונטים, וזה מאוד שימושי למתחילים שלא מכירים את הנושא.
ניתן להשתמש במחשבים קוונטיים ברמת הפולסים, המעגלים ומודולי היישום.
תכונות
- משתמשים ברמות שונות יכולים להשתמש ב-Qiskit למחקר ופיתוח יישומים מכיוון שהוא מגיע עם אוסף שלם של שערים קוונטיים ומגוון מעגלים מובנים מראש.
- אתה יכול להשתמש ב-Qiskit Runtime כדי לתאם יישומים קוונטיים על CPUs מבוססי ענן, QPUs ו-GPUs, כמו גם להפעיל ולתזמן פעילויות על מעבדים קוונטיים בפועל.
- המשדר ממיר את קוד Qiskit למעגל יעיל תוך שימוש בסט השערים המקורי של הקצה האחורי, ומאפשר למשתמשים לתכנן עבור כל מעבד או ארכיטקטורה קוונטית עם מינימום כניסות.
סיכום
לסיכום, מחשבים קוונטיים יכולים לחדור במהירות לטכניקות ההצפנה של ימינו תוך פרק זמן קצר, בעוד שמחשב העל הגדול ביותר הנגיש כעת לוקח שנים.
למרות העובדה שמחשבים קוונטיים יהיו מסוגלים לפצח רבות מתכניות ההצפנה של ימינו, צפוי שהם יפתחו חלופות חסינות מפני פריצות. מחשבי קוונטים הם פנטסטיים בהתמודדות עם בעיות אופטימיזציה.
השאירו תגובה